專利名稱：測量光盤厚度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量光盤厚度的方法，特別是涉及這樣一種方法，其根據(jù)由反射光譜的快速傅立葉變換(在下文中簡稱為FFT)獲得的干涉區(qū)中反射光的峰值位置來測量光盤厚度，該反射光譜在數(shù)軸上被作為波長函數(shù)的反射率所反映。
背景技術(shù)：
迄今為止，記錄介質(zhì)有磁記錄帶、激光視盤(LD)和激光唱盤(CD)等光盤、以及具有大信息記錄容量的數(shù)字視頻光盤(下文中稱為DVD)。在記錄介質(zhì)當(dāng)中，由于光盤采用的是與以前的磁記錄帶不同的數(shù)字記錄系統(tǒng)，并且光盤的體積很小、重量輕，因此光盤便于保存和攜帶，因此，比起其它記錄介質(zhì)，用戶更喜歡使用光盤介質(zhì)。
此外，根據(jù)隨產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高密度和高集成的趨勢，正在研究和開發(fā)一種藍(lán)光光盤(BD)，它是比現(xiàn)有DVD具有更高集成性的高密度DVD(HD-DVD)。然而，任何產(chǎn)品應(yīng)該是無故障地使用，而且，如果產(chǎn)品的質(zhì)量低下，制造該產(chǎn)品的制造商就會(huì)喪失信譽(yù)。這種事情對(duì)于具有微小信號(hào)特征的光盤而言還會(huì)造成更多的問題，由于光盤的厚度問題、擦傷、變形、手印以及在產(chǎn)品制造過程中附著上雜質(zhì)等而使得光盤質(zhì)量低劣。
尤其是，光盤的厚度是影響其生產(chǎn)率和可靠性的一個(gè)主要因素，實(shí)時(shí)測量光盤厚度以對(duì)其制作過程進(jìn)行控制是十分必要的。
可以把光盤看作薄膜。如果薄膜的厚度在幾個(gè)μm之內(nèi)，則對(duì)其厚度的測量要依靠定量測量，例如利用橢偏光度法和對(duì)反射因子的測量對(duì)薄膜進(jìn)行分析，如果要對(duì)厚度等于和大于幾個(gè)μm的、相對(duì)較厚的薄膜的厚度進(jìn)行分析，就要采用一種利用由于薄膜的干涉效應(yīng)而在反射或透射光譜中出現(xiàn)的振動(dòng)周期來測量厚度的測量方法。
此時(shí)，單色儀的波長分辨或相干性變差，但是有一種方法很有使用價(jià)值，該方法通過干涉獲得光譜的振動(dòng)周期(或頻率)并從所獲得的振動(dòng)周期來確定薄膜的厚度。然而，如果薄膜較厚，則因?yàn)橹芷谥底兇蠖沟糜糜诠烙?jì)薄膜厚度所必需的時(shí)間增長。工業(yè)上期望能夠快速地測量厚膜的厚度，為了響應(yīng)業(yè)界這個(gè)需求，采用常規(guī)的FFT來對(duì)光譜的振動(dòng)周期進(jìn)行快速測量。
圖1給出的是用于測量薄膜厚度的常規(guī)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
如圖1所示，根據(jù)通過測量反射光譜來測量薄膜厚度的裝置，來自鹵素?zé)?2的光經(jīng)由光纖20中的一根光纖22和在豎直方向上的透鏡26而投射到覆有薄膜32的襯底30上，被襯底30反射的光經(jīng)由透鏡26和光纖20中的另一根光纖24而被傳送給光譜儀42，該光譜儀42按照每個(gè)波長的強(qiáng)度對(duì)由襯底30上樣品表面反射回來的光進(jìn)行分光，然后，該分光進(jìn)入到光學(xué)測量元件陣列(arrangement)44中，從而將每個(gè)波長處的光強(qiáng)提供給計(jì)算機(jī)46。通過將每個(gè)波長處的光強(qiáng)用作光譜數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)46可以采用多種方式來測量薄膜的厚度。
圖2A和2B示出的視圖是折射率被應(yīng)用于用常規(guī)方法測量厚度時(shí)的情況，圖2A示出的是按照常規(guī)方法提供給計(jì)算機(jī)的每個(gè)波長處的光強(qiáng)數(shù)據(jù)光譜的曲線圖，圖2B是利用圖2A得到的反射光譜的快速傅立葉變換圖。
如圖2A和2B所示，因?yàn)榭梢赃x擇Δλ，此時(shí)的Δλ是特定波長λ的m倍，也是相鄰波長λ+Δλ的m-1倍，根據(jù)折射率n，光譜數(shù)據(jù)中特定層的厚度d可以表達(dá)為下面的方程1[方程1]當(dāng)Δλ＜＜λ時(shí)，2nd＝mλ＝(m-1)(λ+Δλ)，如果進(jìn)行展開，則有mλ＝(m-1)(λ+Δλ)＝mλ+mΔλ-(λ+Δλ)mΔλ＝λ+Δλ因此，就變成mλ＝(λ+Δλ)/Δλ，此時(shí)，2nd＝mλ＝λ(λ+Δλ)/Δλ≈λ2/Δλ＝1/Δ(1/λ)。
由于2nd與Δ(1/λ)的乘積為1，如果在實(shí)驗(yàn)中可以得到反射強(qiáng)度與Δ(1/λ)之間的函數(shù)關(guān)系式，就可以通過進(jìn)行完全的FFT，得到關(guān)于對(duì)應(yīng)變換因子Δ(1/λ)的2nd的FFT函數(shù)。
此時(shí)，峰值出現(xiàn)處所對(duì)應(yīng)的d值就是我們所期望得到的厚度。
作為參考，對(duì)FFT的描述可以表示為下面一般的方程。
強(qiáng)度I和波長λ之間的關(guān)系方程為I＝f(λ)＝g(Δ(1/λ))。
如果對(duì)上述方程式的兩側(cè)都施加FFT，于是，該方程可以表達(dá)為下面的方程2。
FFT{I}=FFT{g(Δ(1λ))}=∫g(Δ(1λ))e-2πi(Δ(1λ))2ndd(2nd)=h(2nd)]]>然而，由于現(xiàn)有的方法沒有考慮薄膜材料的折射率色散，峰與峰之間的間隔就逐漸減小。更具體的說，現(xiàn)有的方法有這樣的缺點(diǎn)由于折射率根據(jù)波長發(fā)生變化，根據(jù)由傅立葉峰位置除以折射率而獲得的厚度值就會(huì)變化，并且導(dǎo)致峰的高度減小，寬度增加。
因此，因?yàn)橛蓪?shí)際薄膜所組成的材料具有的折射率與波長有關(guān)，也就是說，由于薄膜的折射率色散，在一個(gè)頻率周期上兩束光之間的干涉能量差并不是一致相同的。由于這個(gè)原因，在反射光譜的快速傅立葉變換時(shí)所獲得的頻率的峰寬按照折射率色散的程度而變寬，而且，由于峰位置的不精確而使得用于獲得薄膜厚度的測量誤差變大。因此，為了精確測量薄膜的厚度，應(yīng)該考慮折射率的色散。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提出了一種測量光盤厚度的方法，該方法基本上能消除由于現(xiàn)有技術(shù)的局限性和缺點(diǎn)所引起的一個(gè)或多個(gè)問題。
本發(fā)明的目的是提供一種快速地高精度測量光盤厚度的方法，其通過對(duì)折射率隨波長的變化，即通過對(duì)由作為波長的函數(shù)的折射率所反應(yīng)的光譜，進(jìn)行快速傅立葉變換，以獲得反射光在干涉區(qū)中的峰值位置，以此來測量光盤的厚度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種改進(jìn)的方法來精確測量光盤的厚度，即使是當(dāng)反射膜以反射光的同一面積比在襯底上形成或是多層膜在襯底上形成的時(shí)候，該方法總是保證對(duì)峰位置的精確確定并且防止傅立葉變換時(shí)峰寬的增寬，以此來測量光盤的厚度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種高精度測量光盤厚度的方法，該方法不僅可適用于反射光譜，還可適用任何其它由厚膜的干涉所振動(dòng)的光譜，例如透射光譜。
本發(fā)明的附加優(yōu)點(diǎn)、目的和特征將在下面的描述中進(jìn)行部分地闡明，并使得此領(lǐng)域的一般技術(shù)人員能通過下面的實(shí)例以作進(jìn)一步了解，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐來對(duì)其進(jìn)行理解。可以通過文字的說明書、所附權(quán)利要求以及附圖中具體給出的結(jié)構(gòu)來理解和達(dá)到本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)這里所具體和廣泛描述的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一種利用光盤層的干涉效應(yīng)來測量光盤厚度的方法，包括以下步驟根據(jù)光的波長來檢測反射光的強(qiáng)度并將其作為每個(gè)波長的光譜數(shù)據(jù)；將檢測到的每個(gè)波長的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)光譜值，該光譜值是反映了折射率的波長的函數(shù)；通過快速傅立葉變換將該轉(zhuǎn)換的值變換成干涉區(qū)的長度來代表光盤的層厚，檢測反射光的強(qiáng)度具有峰值處的位置，分別作為襯底層和覆蓋層的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，作為反映了折射率的波長的函數(shù)的光譜值優(yōu)選是n(λ)/2λ。
可以理解的是，對(duì)于本發(fā)明，前面所作的一般描述和下面要作的具體描述都是示例性和解釋性的，用來提供對(duì)權(quán)利要求的進(jìn)一步解釋。


附圖顯示出了本發(fā)明的實(shí)施例，它們與說明書的文字一起用來解釋本發(fā)明的原理，提供這些附圖為的是進(jìn)一步理解本發(fā)明，附圖作為說明書的一部分并入說明書。附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測量光盤的薄膜厚度的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A示出的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的提供給計(jì)算機(jī)按每個(gè)波長的發(fā)光強(qiáng)度的曲線圖；圖2B是利用圖2A的反射光譜的快速傅立葉變換圖；圖3示出的是根據(jù)本發(fā)明的測量光盤厚度的方法的流程圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的高密度DVD光盤的層狀結(jié)構(gòu)示圖；
圖5A示出的是根據(jù)本發(fā)明的按光的波長來測量反射光強(qiáng)度而得到的按波長的光譜數(shù)據(jù)圖；圖5B是利用圖5A的把反射光強(qiáng)度設(shè)為縱軸、把通過波長函數(shù)反映的折射率的光譜值作為橫軸的曲線圖；圖5C是利用圖5B按波長的光譜快速傅立葉變換圖；圖6是厚度為30μm的介電薄膜的折射率色散曲線圖；以及圖7A和7B示出的是考慮和不考慮介電薄膜的折射率色散時(shí)關(guān)于能量的反射光譜之間的間隔。
具體實(shí)施例方式
下面具體說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，這些實(shí)施方式的例子顯示在附圖中。
圖3示出的是本發(fā)明所涉及的測量光盤厚度的方法的流程圖，圖4是本發(fā)明所涉及的高密度DVD光盤的層狀結(jié)構(gòu)示圖，圖5A示出的是本發(fā)明所涉及的按照光的波長來測量反射光強(qiáng)度而得到的按波長的光譜數(shù)據(jù)圖，圖5B是利用圖5A的把反射光強(qiáng)度設(shè)為縱軸、把通過波長的函數(shù)反映了折射率的光譜值作為橫軸的曲線圖，圖5C是利用圖5B的按波長的光譜的快速傅立葉變換圖。
圖4所示的是高密度DVD(下文中稱為‘HD-DVD’)光盤，其是在廣泛應(yīng)用之前作為最近發(fā)展的下一代光記錄介質(zhì)而出現(xiàn)的。如圖4所示，HD-DVD的主要層有厚度約為80μm的覆蓋層(CL)32a和位于覆蓋層32a下面的、厚度為10μm的隔離層(SL)32b。
如圖1所示的測量光盤厚度的裝置，其包括光源、光纖、透鏡、覆有薄膜的襯底、單色儀、光學(xué)測量元件陣列以及計(jì)算機(jī)。
采用上述結(jié)構(gòu)的光盤厚度測量裝置，對(duì)作為待測樣品的HD-DVD的厚度進(jìn)行檢測，該檢測是通過按照光的波長來檢測反射光的強(qiáng)度而檢測按波長的光譜數(shù)據(jù)(步驟S10)。所檢測的數(shù)據(jù)如圖5A所示。
在進(jìn)行厚度測量的快速傅立葉變換之前，考慮折射率隨波長的變化，將所檢測的按波長的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成把折射率反映到波長的函數(shù)的光譜數(shù)據(jù)(步驟S20)。此時(shí)，對(duì)把折射率反映到波長的函數(shù)的光譜進(jìn)行處理的方程可以表達(dá)為下面的方程3。
2n(λ)d＝mλ2n(λ+Δλ)d＝(m-1)(λ+Δλ)如果將上述第二個(gè)方程進(jìn)一步展開，可得，2n(λ)d+2Δnλd＝mλ+mΔλ-λ-Δλ其中，Δn＝n(λ+Δλ)-n(λ)，如果將上述方程代入第一個(gè)方程中并由代入后的方程進(jìn)一步推導(dǎo)，則有，m＝(2Δnd/Δλ)+((λ+Δλ)/Δλ)如果將第一個(gè)方程代入，則有，2n(λ)d＝(2λΔnd/Δλ)+((λ+Δλ)λ/Δλ)2(n(λ)-λΔn/Δλ)d＝(λ+Δλ)λ/Δλ(2λ2/Δλ)((n(λ)Δλ-λΔn)/λ2)d＝(λ+Δλ)λ/Δλ2Δ(n(λ)/λ)d＝(λ+Δλ)/λ＝1+Δλ/λ≈1(Δλ/λ＜＜1)其中，利用第一級(jí)近似可以忽略最后一項(xiàng)。
利用按照上述方程獲得的關(guān)于光強(qiáng)的Δ(n(λ)/λ)的函數(shù)關(guān)系式，該裝置可以獲得把折射率反映到波長的函數(shù)的光譜數(shù)據(jù)，在圖5B示出的圖中，將反射光強(qiáng)度設(shè)為縱軸，把通過波長的函數(shù)反映了折射率的值n(λ)/2λ作為橫軸。
最后，如果將在前面步驟中所轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過快速傅立葉變換而轉(zhuǎn)換成干涉區(qū)的長度用于表示光盤的厚度，則是反射光的強(qiáng)度具有峰值的位置。每個(gè)被檢測到的峰值的位置成為隔離層和覆蓋層的厚度(步驟S30)。
圖5C是將快速傅立葉變換后的光強(qiáng)作為縱軸，將表示厚度的干涉區(qū)作為橫軸的曲線圖。
如圖5C所示，在橫軸上d1位置處出現(xiàn)的峰值即為當(dāng)隔離層的折射率n1表示為波長的函數(shù)n1(λ)并通過快速傅立葉變換而轉(zhuǎn)換時(shí)所出現(xiàn)的值；而且，峰值出現(xiàn)處的位置值代表了光盤隔離層的厚度。同時(shí)，在縱軸上d2位置處出現(xiàn)的峰值即為當(dāng)覆蓋層的折射率n2表示為波長的函數(shù)n2(λ)并通過快速傅立葉變換而轉(zhuǎn)換時(shí)所出現(xiàn)的值；而且，峰值出現(xiàn)處的位置值表示光盤覆蓋層的厚度。
下面將通過薄膜厚度的實(shí)驗(yàn)值來詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明對(duì)光盤厚度的測量，該測量是通過反映了折射率的波長的函數(shù)并采用快速傅立葉變換來實(shí)現(xiàn)的。
圖6是厚度為30μm的介電薄膜的折射率色散曲線圖。
如圖6所示，可以理解的是，通過在實(shí)施快速傅立葉變換時(shí)反映出折射率色散，對(duì)厚度為30μm的介電薄膜的反射光譜的分析得出峰寬降低，峰高上升。此時(shí)，介電薄膜限于單獨(dú)存在的薄膜，其沒有用于支撐該介電薄膜的襯底層。
在折射率是否被反映的兩種情況下執(zhí)行快速傅立葉變換以后，該事實(shí)表現(xiàn)得尤為顯著。參照圖7A和7B，圖7A示出的是不考慮介電薄膜的折射率色散時(shí)反射光譜的快速傅立葉變換圖，7B示出的是將介電薄膜的折射率色散反映成為波長的函數(shù)時(shí)反射光譜的快速傅立葉變換圖。
如圖7A和7B所示，在折射率色散被反映時(shí)的快速傅立葉變換中，峰寬從1.61μm極大地下降到0.44μm，而峰高則上升了大約1.7倍。這些峰高的上升和峰寬的下降是合理的，由此，當(dāng)折射率色散被反映時(shí)，反射光譜的振動(dòng)間隔就變得相同，從而清晰地表示出考慮折射率時(shí)快速傅立葉變換效果。
當(dāng)考慮折射率色散時(shí)所獲得的另一效果是在快速傅立葉變換后所獲得的厚度值上出現(xiàn)。圖7A所示的是將折射率固定為n＝1.6、用厚度表示橫軸并進(jìn)行快速傅立葉變換。如圖6所示，由于介電薄膜具有依賴于波長的折射率，因此所獲得的厚度值隨著用于除傅立葉峰值的折射率而變化。
因此，從圖7A中的峰估計(jì)得出的厚度值30.71μm與實(shí)際厚度0.71μm不同，這是由于所采用的折射率n＝1.6并沒有正確地反映從500nm至900nm區(qū)域范圍內(nèi)的反射光譜的有效折射率而造成的，這基本上可以被看作是由于沒有考慮折射率色散的而造成的錯(cuò)誤。
然而，按照圖7B所示的考慮折射率色散后的快速傅立葉變換，由于折射率色散已在圖7B中被精確反映出來，就可估計(jì)出精確的厚度值30.0μm，從而實(shí)現(xiàn)極快的分析速度和高精度的厚度測量。
如上述所述，利用光盤層的干涉效應(yīng)來測量光盤厚度的方法具有以下優(yōu)點(diǎn)首先，在對(duì)光盤厚度的測量中，通過由反射光譜的快速傅立葉變換得到的干涉區(qū)中反射光的峰值位置，其中，通過增加一個(gè)額外的折射率而將薄膜的折射率色散反映出來，在保持極快的分析速度過程中就能實(shí)施對(duì)光盤厚度的精確測量，從而使得測量裝置的可靠性得以增強(qiáng)，且生產(chǎn)率得以提高。
其次，根據(jù)本發(fā)明，不管光盤的類型和結(jié)構(gòu)如何，無論在襯底上形成的是相同面積比的反射層，還是在襯底上形成的是多層薄膜，光盤的厚度都可以以高精度和極快的分析速度測量出來，而且，本發(fā)明的測量方法可以應(yīng)用于具有由厚膜的干涉所導(dǎo)致的振動(dòng)的光譜，例如透射光譜，從而使得工業(yè)上要求實(shí)時(shí)測量和精確分析的需要，可以通過對(duì)光盤厚度的極快的分析速度和高精度測量的裝置來滿足，而且在國內(nèi)和國外市場的競爭力也得以增強(qiáng)。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，很顯然可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和變化。因此，那些落入本發(fā)明權(quán)利要求及其等價(jià)物范圍內(nèi)的所有改變或修改都應(yīng)該被本發(fā)明所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種利用光盤層的干涉效應(yīng)來測量光盤厚度的方法，包括以下步驟根據(jù)光的波長來檢測反射光的強(qiáng)度并將其作為每個(gè)波長的光譜數(shù)據(jù)；將所述檢測到的每個(gè)波長的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成作為反映了折射率的波長的函數(shù)的光譜值；以及通過快速傅立葉變換將所述轉(zhuǎn)換的值變換成干涉區(qū)的長度來代表光盤的層厚，檢測反射光的強(qiáng)度具有峰值處的位置，分別作為隔離層和覆蓋層的厚度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述作為反映了折射率的波長的函數(shù)的光譜值為n(λ)/2λ。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光盤層包括具有折射率n1的隔離層和具有不同于折射率n1的折射率n2的覆蓋層，通過把折射率反映到波長的函數(shù)而獲得光強(qiáng)，將從該光強(qiáng)出現(xiàn)峰值處得到各位置d1和d2作為厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用光盤層的干涉效應(yīng)來測量光盤厚度的方法，該方法包括根據(jù)光的波長來檢測反射光的強(qiáng)度并將其作為每個(gè)波長的光譜數(shù)據(jù)；將檢測到的每個(gè)波長的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成作為反映了折射率的波長的函數(shù)的光譜值；以及通過傅立葉變換將該轉(zhuǎn)換的值轉(zhuǎn)換成干涉區(qū)的長度來代表光盤的層厚，檢測反射光的強(qiáng)度具有峰值處的位置，分別作為襯底層和覆蓋層的厚度。本發(fā)明所公開的方法在高精度測量光盤厚度方面具有優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G11B7/0037GK1695039SQ03824795
公開日2005年11月9日 申請日期2003年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月20日
發(fā)明者鄭盛允, 金進(jìn)鏞, 金真弘, 徐勛, 郭錦哲 申請人:Lg 電子株式會(huì)社